ES2391716T3 - Direct power and stator flow vector control of a generator for a wind energy conversion system - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para controlar un generador de turbina eólica de velocidad variable (11) conectado a un convertidorde potencia (13) que comprende interruptores (52, 53), comprendiendo dicho generador un estator y un conjunto determinales conectados a dicho estator y a dichos interruptores, comprendiendo dicho procedimiento:determinar un valor de flujo de estator de referencia correspondiente a un generador (11) de potencia de unamagnitud deseada,determinar un valor de flujo de estator estimado correspondiente a una potencia del generador (11) real,determinar un valor de diferencia de flujo del estator entre el valor de referencia del flujo del estator determinado y elvalor de flujo del estator estimado, yoperar dichos interruptores (52, 53) según un esquema de modulación del vector de espacio para controlar un patrónde conmutación de dichos interruptores (52, 53), donde dicho patrón de conmutación está formado por la aplicaciónde uno o más vectores durante uno o más períodos de conmutación, y dichos períodos de conmutación para elpatrón de conmutación se determinan a partir de la magnitud y dirección del vector de diferencia del flujo del estatorpara adaptar al menos una cantidad eléctrica de un estator para obtener la magnitud de potencia de dicho generador(11) deseado.Method for controlling a variable speed wind turbine generator (11) connected to a power converter (13) comprising switches (52, 53), said generator comprising a stator and a set of determinals connected to said stator and to said switches, said comprising procedure: determine a reference stator flow value corresponding to a power generator (11) of a desired magnitude, determine an estimated stator flow value corresponding to a real generator power (11), determine a flow difference value of the stator between the reference value of the determined stator flow and the estimated stator flow value, and operating said switches (52, 53) according to a modulation scheme of the space vector to control a switching pattern of said switches (52, 53) , wherein said switching pattern is formed by the application of one or more vectors for one or more periods of switching, and said switching periods for the switching pattern are determined from the magnitude and direction of the stator flux difference vector to adapt at least an electrical amount of a stator to obtain the power magnitude of said generator (11) wanted.
Description
Control de potencia directa y del vector de flujo del estator de un generador para un sistema de conversión de energía eólica Direct power and stator flow vector control of a generator for a wind energy conversion system
Campo técnico Technical field
La presente invención se refiere, en general, a convertidores de potencia, y más específicamente a convertidores de potencia que pueden conectarse a generadores de turbina eólica (WTG) que operan a velocidades variables, proporcionando así una tensión y una corriente con una amplitud y una frecuencia variables. The present invention relates, in general, to power converters, and more specifically to power converters that can be connected to wind turbine generators (WTG) operating at variable speeds, thus providing a voltage and a current with an amplitude and a variable frequency
Antecedentes de la invención Background of the invention
El viento ha sido utilizado durante mucho tiempo como fuente de energía y, en los años recientes se ha vuelto muy común utilizar el viento para producir potencia eléctrica. Con el fin de hacer esto, la energía del viento es capturada por un conjunto de palas (normalmente dos o tres) de una planta de energía eólica. El viento capturado por las palas hace que un eje conectado a las palas gire. El eje está conectado a un rotor de un generador, que, por lo tanto, gira a la misma velocidad que el eje, o a un múltiplo de la velocidad del eje en caso de que el rotor esté conectado al eje a través de una caja de engranajes. A continuación, el generador convierte la potencia mecánica proporcionada por el viento en potencia eléctrica para su suministro a una red. Wind has long been used as a source of energy and, in recent years it has become very common to use wind to produce electrical power. In order to do this, wind energy is captured by a set of blades (usually two or three) from a wind power plant. The wind captured by the blades causes an axis connected to the blades to rotate. The shaft is connected to a rotor of a generator, which, therefore, rotates at the same speed as the shaft, or at a multiple of the shaft speed in case the rotor is connected to the shaft through a box of gears Next, the generator converts the mechanical power provided by the wind into electrical power for supply to a network.
Para optimizar la eficiencia de un generador de turbina eólica, se prefiere el uso de un generador de velocidad variable, en el que la velocidad de las palas y, por lo tanto, la velocidad del eje, dependerá de la velocidad del viento. Esto implica que debe establecerse un punto de funcionamiento óptimo para el WTG a velocidades de viento diferentes. Esto se realiza mediante el control del par y la potencia activa (real) suministrada por el generador. To optimize the efficiency of a wind turbine generator, the use of a variable speed generator is preferred, in which the speed of the blades and, therefore, the speed of the shaft, will depend on the wind speed. This implies that an optimal operating point for the WTG must be established at different wind speeds. This is done by controlling the torque and the active (real) power supplied by the generator.
El propósito principal de un WTG es suministrar potencia activa. La potencia activa es el componente de la potencia eléctrica total o aparente que realiza un trabajo y se mide en vatios. El sistema de control en un WTG controlará la potencia activa extraída del WTG para realizar el seguimiento del punto de velocidad de funcionamiento óptimo para el WTG, utilizando el control de par o el control de potencia. The main purpose of a WTG is to provide active power. Active power is the component of the total or apparent electrical power that performs a job and is measured in watts. The control system in a WTG will control the active power extracted from the WTG to track the optimum operating speed point for the WTG, using torque control or power control.
Cuando se utiliza el control de potencia, un comando de potencia basado en una estimación de la potencia en el viento se suministra al sistema de control. Este valor comandado se compara con la potencia de salida del WTG real y se controla la diferencia. When power control is used, a power command based on an estimate of wind power is supplied to the control system. This commanded value is compared with the output power of the real WTG and the difference is controlled.
Cuando se utiliza el control de par, un comando de par sobre la base de un par disponible desde el eje se suministra al sistema de control. Este valor comandado se compara con el par del generador real y se controla la diferencia. When torque control is used, a torque command based on an available torque from the shaft is supplied to the control system. This commanded value is compared with the actual generator torque and the difference is controlled.
La potencia reactiva, medida en voltios-amperios, establece y sostiene los campos eléctricos y magnéticos de máquinas de corriente alterna. La potencia aparente, medida en voltios-amperios, es la suma vectorial de las potencias activa y reactiva. Los sistemas de control de WTG modernos pueden controlar tanto la potencia activa como la reactivaalared. The reactive power, measured in volts-amps, establishes and sustains the electric and magnetic fields of alternating current machines. The apparent power, measured in volts-amps, is the vector sum of the active and reactive powers. Modern WTG control systems can control both active and reactivated power.
Un primer tipo de sistemas de control para WTG se relaciona con el control independiente de (normalmente) tres tensiones sinusoidales espacialmente desplazadas 120º de las tres fases del estator del generador. La generación de las ondas sinusoidales se basa en las propiedades del generador, es decir, un modelo equivalente para el generador cuando se opera en condiciones de régimen permanente se deriva de las características eléctricas y mecánicas del generador, en el que el sistema de control está diseñado basándose en el tipo de generador utilizado (por ejemplo, asíncrono o síncrono). A first type of control systems for WTG is related to the independent control of (normally) three spatially displaced sinusoidal voltages 120 ° of the three phases of the generator stator. The generation of sine waves is based on the properties of the generator, that is, an equivalent model for the generator when operating under permanent conditions is derived from the electrical and mechanical characteristics of the generator, in which the control system is designed based on the type of generator used (for example, asynchronous or synchronous).
La generación de una de las ondas sinusoidales en el sistema trifásico se realiza normalmente de forma independiente de las otras ondas sinusoidales, es decir, este tipo de sistemas de control opera como un sistema de tres controles de un sistema de fase única separada en lugar que como un control común de tres fases. Este hecho resulta en que cualquier desequilibrio en el sistema de tres fases o cualquier interacción entre las fases no se considerará en este tipo de control. Por otra parte, es evidente que el modelo de generador sólo será válido durante el funcionamiento en estado estable del generador. Durante la operación transitoria del generador (inicio, parada, cambios de carga, etc.) el control permitirá, por lo tanto, un pico alto de tensión y corriente transitoria. Esto resulta en una eficiencia de conversión de potencia disminuida, así como en una necesidad de sobredimensionar los componentes eléctricos del sistema de WTG para hacer frente a corrientes de sobretensión transitoria y tensiones. The generation of one of the sine waves in the three-phase system is normally carried out independently of the other sine waves, that is, this type of control system operates as a three-control system of a separate single-phase system instead of as a common three phase control. This fact results in that any imbalance in the three-phase system or any interaction between the phases will not be considered in this type of control. On the other hand, it is clear that the generator model will only be valid during steady state operation of the generator. During the transient operation of the generator (start, stop, load changes, etc.) the control will therefore allow a high peak of voltage and transient current. This results in decreased power conversion efficiency, as well as a need to oversize the electrical components of the WTG system to cope with transient overvoltage currents and voltages.
Para superar los inconvenientes de la estructura de control anterior, se han introducido una estructura de control alternativa generalmente llamada control orientado de campo (FOC). La idea principal detrás del FOC es el control de las corrientes del estator del generador mediante el uso de una representación vectorial de las corrientes. Más específicamente, el FOC se basa en la transformación de coordenadas que transforman un tiempo de tres fases y un sistema dependiente de la velocidad en un sistema invariante de tiempo de dos coordenadas. To overcome the drawbacks of the previous control structure, an alternative control structure generally called field oriented control (FOC) has been introduced. The main idea behind the FOC is the control of the generator stator currents through the use of a vector representation of the currents. More specifically, the FOC relies on the transformation of coordinates that transform a three-phase time and a speed-dependent system into a two-coordinate invariant time system.
La ventaja de realizar una transformación a partir de un sistema de coordenadas estacionarias de tres fases a un sistema de coordenadas de rotación es que el control del generador se puede realizar mediante el control de las The advantage of performing a transformation from a three-phase stationary coordinate system to a rotation coordinate system is that the generator control can be performed by controlling the
cantidades de CC y la respuesta a los transitorios se mejora respecto a la que se consigue con el control independiente de las tres fases. quantities of CC and the response to transients is improved compared to that achieved with the independent control of the three phases.
La transformación del FOC se realiza en dos etapas: 1) transformación del sistema de coordenadas estacionario de tres fases abc a uno de dos fases, llamado sistema de coordenadas estacionario αβ (conocido como transformación de Clarke), y 2) transformación del sistema de coordenadas estacionario αβ a un sistema de coordenadas de rotación dq (conocido como transformación de Park). Más específicamente, la transformación del marco de referencia abc natural al marco de referencia dq síncrono se obtiene por las ecuaciones The FOC transformation is carried out in two stages: 1) transformation of the three-phase stationary coordinate system abc to one of two phases, called the αβ stationary coordinate system (known as Clarke's transformation), and 2) transformation of the coordinate system stationary αβ to a rotation coordinate system dq (known as Park transformation). More specifically, the transformation of the natural abc reference frame to the synchronous dq reference frame is obtained by the equations
y Y
lo que proporciona what it provides
donde θ = ωt es el ángulo entre el eje α estacionario y el eje d sincrónico. where θ = ωt is the angle between the stationary α axis and the synchronous d axis.
El control de un generador mediante el FOC requiere un componente de flujo alineado con el eje d. Tal como se ha explicado anteriormente, los componentes orientados d y q son transformaciones del sistema de coordenadas de tres fases estacionario que implica que el FOC, debido al acoplamiento directo a las cantidades eléctricas de tres fases, se encargará del estado estacionario y de la operación transitoria del sistema con independencia del modelo generador. The control of a generator by means of the FOC requires a flow component aligned with the d axis. As explained above, the dyq oriented components are transformations of the stationary three-phase coordinate system that implies that the FOC, due to the direct coupling to the three-phase electrical quantities, will be responsible for the stationary state and the transient operation of the system regardless of the generator model.
Una ventaja del FOC es que el control de los parámetros en unas coordenadas giratorias teóricamente permite un control desacoplado entre los parámetros. Por lo tanto, con la amplitud del flujo del rotor controlada en un valor fijo y la relación lineal entre el par y el componente del par iq del estator es posible lograr un control satisfactorio desacoplado del control de potencia de salida del WTG. An advantage of the FOC is that the control of the parameters in rotating coordinates theoretically allows a decoupled control between the parameters. Therefore, with the amplitude of the rotor flow controlled at a fixed value and the linear relationship between the torque and the torque component iq of the stator it is possible to achieve a satisfactory control decoupled from the output power control of the WTG.
El documento US5083039 divulga una turbina eólica de velocidad variable que comprende un rotor de turbina que acciona un generador de múltiples fases, un convertidor de potencia con interruptores que controlan magnitudes eléctricas del estator en cada fase del generador, un dispositivo de mando de par asociado con sensores de parámetros de la turbina que genera una señal de referencia de par indicativa de un par deseado, y un controlador de generador operativo bajo el control de la orientación de campo y sensible a la señal de referencia de par para definir una corriente de eje de cuadratura deseada y para controlar los interruptores para producir cantidades eléctricas del estator que correspondan al eje de cuadratura de corriente deseada. US5083039 discloses a variable speed wind turbine comprising a turbine rotor that drives a multi-phase generator, a power converter with switches that control electrical quantities of the stator in each phase of the generator, a torque control device associated with turbine parameter sensors that generate a torque reference signal indicative of a desired torque, and an operating generator controller under the control of the field orientation and sensitive to the torque reference signal to define an axis current of desired quadrature and to control the switches to produce electrical quantities of the stator corresponding to the desired quadrature current axis.
El control de potencia del generador basado en el FOC también se describe en otros documentos, por ejemplo los documentos JP 2002276533, GB 2411252, US 6420795 y US 2007278797. The power control of the FOC-based generator is also described in other documents, for example JP 2002276533, GB 2411252, US 6420795 and US 2007278797.
A pesar de las ventajas con el FOC descrito anteriormente, existen deficiencias de los controladores convencionales con los que la industria ha vivido. Estas incluyen, por ejemplo (a) una dificultad para mantener el correcto desacoplamiento entre el flujo y el par que producen componentes de las corrientes del estator durante el estado de equilibrio y dinámica, (b) el control de las corrientes que utilizan controladores lineales a velocidades más altas y mayor índice de modulación. El caso (a) se refiere a la sensibilidad de parámetros y la necesidad de adaptación de los mismos. Esto puede poner la fiabilidad controlador en tensión bajo condiciones extremas de carga. El caso (b), por otra parte, se refiere a la infrautilización del enlace de CC. Además, puesto que ambos procedimientos descritos anteriormente pueden ser utilizados para el control de la salida de turbinas eólicas, y el control de salida en última instancia supone una interacción entre los flujos o corrientes y flujos, una capacidad para controlar directamente el flujo conduce a sistemas más robustos y más sencillos. Despite the advantages with the FOC described above, there are deficiencies of the conventional controllers with which the industry has lived. These include, for example (a) a difficulty in maintaining the correct decoupling between the flow and the torque produced by components of the stator currents during the equilibrium and dynamic state, (b) the control of the currents using linear controllers a higher speeds and higher modulation index. Case (a) refers to the sensitivity of parameters and the need to adapt them. This can put the controller reliability in tension under extreme load conditions. Case (b), on the other hand, refers to the underutilization of the CC link. In addition, since both procedures described above can be used for the control of wind turbine output, and the output control ultimately involves an interaction between the flows or currents and flows, an ability to directly control the flow leads to systems more robust and simpler.
Sumario de la invención Summary of the invention
En vista de lo anterior, un objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento alternativo para el control independiente de las tres fases, así como el FOC clásico para controlar la salida de potencia de un WTG. In view of the foregoing, an object of the invention is to provide an alternative method for independent control of the three phases, as well as the classic FOC for controlling the power output of a WTG.
En particular, un objetivo es proporcionar un procedimiento para el control de flujo directo en un diseño que tiene un rango de control mayor para las tensiones de enlace de CC esperadas y en el que los interruptores del estator están directamente operados sobre la base de un flujo del estator deseado en un marco de referencia estacionario. El objetivo, además, es proporcionar un procedimiento para determinar los tiempos de conmutación óptimos para un esquema de modulación de vector espacial utilizando una señal de error del vector de flujo del estator. In particular, one objective is to provide a procedure for direct flow control in a design that has a greater control range for expected DC link voltages and in which the stator switches are directly operated on the basis of a flow of the desired stator in a stationary frame of reference. The objective, furthermore, is to provide a method for determining the optimal switching times for a spatial vector modulation scheme using an error signal from the stator flow vector.
Estos objetivos se resuelven mediante las características del procedimiento de la reivindicación 1 y el aparato de la reivindicación 6. Las reivindicaciones dependientes describen realizaciones ventajosas y detalles de la invención. These objectives are met by the characteristics of the method of claim 1 and the apparatus of claim 6. The dependent claims describe advantageous embodiments and details of the invention.
En general, todos los términos utilizados en las reivindicaciones se han de interpretar de acuerdo con su significado ordinario en el campo técnico, a menos que se defina expresamente lo contrario en la presente memoria. Todas las referencias a "un/una/el/la [elemento, dispositivo, componente, medio, etapa, etc.]" deben interpretarse abiertamente como una referencia a al menos una instancia de dicho elemento, dispositivo, componente, medio, etapa, etc., a menos que explícitamente se indique lo contrario. Las etapas de cualquier procedimiento descrito en este documento no tienen que llevarse a cabo en el orden exacto descrito, a menos que se establezca explícitamente. In general, all terms used in the claims are to be interpreted according to their ordinary meaning in the technical field, unless expressly defined otherwise herein. All references to "a / one / the [element, device, component, medium, stage, etc.]" should be openly interpreted as a reference to at least one instance of said element, device, component, medium, stage, etc., unless explicitly stated otherwise. The steps of any procedure described in this document do not have to be carried out in the exact order described, unless explicitly stated.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
Los anteriores, así como otros objetivos, características y ventajas de la presente invención, se comprenderán mejor a través de la siguiente descripción detallada ilustrativa y no limitativa de realizaciones preferidas de la presente invención, con referencia a los dibujos adjuntos, donde la misma referencia numérica se utiliza para elementos similares, en los que: The foregoing, as well as other objectives, features and advantages of the present invention, will be better understood through the following illustrative and non-limiting detailed description of preferred embodiments of the present invention, with reference to the accompanying drawings, where the same numerical reference It is used for similar elements, in which:
La figura 1 ilustra el sistema de convertidor de generador de acuerdo con una realización preferida de la presente invención. Figure 1 illustrates the generator converter system according to a preferred embodiment of the present invention.
La figura 2 ilustra un diagrama vectorial para un generador síncrono representado en un marco de referencia estacionario. Figure 2 illustrates a vector diagram for a synchronous generator represented in a stationary reference frame.
La figura 3 ilustra una representación vectorial de las tensiones presentes en los terminales del estator de un generador. Figure 3 illustrates a vector representation of the voltages present in the stator terminals of a generator.
La figura 4a es una ilustración más detallada del convertidor de lado del generador ilustrado en la figura 1. Figure 4a is a more detailed illustration of the generator side converter illustrated in Figure 1.
La figura 4b ilustra ocho estados de conmutación que determinan un hexágono de vector de espacio. Figure 4b illustrates eight switching states that determine a space vector hexagon.
La figura 5a ilustra un sector del hexágono de vector de espacio ilustrado en la figura 4b. Figure 5a illustrates a sector of the space vector hexagon illustrated in Figure 4b.
La figura 5b ilustra un vector de tensión normalizada. Figure 5b illustrates a normalized tension vector.
La figura 6 ilustra un sistema de control para controlar la potencia de un generador de turbina eólica de acuerdo con una realización de la presente invención. Figure 6 illustrates a control system for controlling the power of a wind turbine generator in accordance with an embodiment of the present invention.
Las figuras 7a-c ilustran un gráfico de flujo de señal de un generador de potencia y controlador de vector de flujo del estator de acuerdo con una realización de la invención. Figures 7a-c illustrate a signal flow graph of a power generator and stator flow vector controller according to an embodiment of the invention.
La figura 8 ilustra un gráfico para conseguir un control predictivo para mitigar un error de fase en el vector de flujo del estator. Figure 8 illustrates a graph to achieve predictive control to mitigate a phase error in the stator flow vector.
La figura 9 ilustra un principio de la limitación de corriente en la generación de vector de flujo del estator de referencia. Figure 9 illustrates a principle of current limitation in the flow vector generation of the reference stator.
La figura 10 ilustra un diagrama de flujo de decisión de debilitamiento del campo. Figure 10 illustrates a field weakening decision flow diagram.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas Detailed description of the preferred embodiments
La figura 1 ilustra un ejemplo de un sistema de convertidor de generador de acuerdo con una realización preferida de la presente invención. Figure 1 illustrates an example of a generator converter system according to a preferred embodiment of the present invention.
Un eje 10 transfiere la potencia mecánica desde una fuente de potencia, preferiblemente un conjunto de palas de An axis 10 transfers the mechanical power from a power source, preferably a set of blades of
turbina eólica (no mostrado), a un rotor de un generador de velocidad variable 11. El eje está conectado preferiblemente a las palas de la turbina eólica, y al rotor a través de una caja de engranajes para adaptar la velocidad de rotación del eje 10 (es decir, velocidad de las palas de la turbina eólica) a un rango de velocidad adecuado para el generador 11. El generador 11 convierte la potencia mecánica proporcionada a través del eje 10 en potencia eléctrica y suministra la potencia eléctrica a un conjunto de terminales del estator 12a, 12b, 12c. Para un rendimiento óptimo respecto a la conversión de la potencia eólica en potencia eléctrica, el eje 10 variará su velocidad como una función de la velocidad del viento. Puesto que la velocidad de rotación del rotor del generador 11 es proporcional a la velocidad de rotación del eje 10, la amplitud y la frecuencia de la señal de tensión proporcionada por el generador 11 a los terminales del estator 12a, 12b, 12c variará de acuerdo con la velocidad de rotación del eje 10. El generador puede ser un generador síncrono individual o doblemente alimentado, por ejemplo, un generador de imán permanente (PM), un generador de inducción o cualquier otro tipo de generador que comprenda un bobinado del estator. wind turbine (not shown), to a rotor of a variable speed generator 11. The shaft is preferably connected to the blades of the wind turbine, and to the rotor through a gearbox to adapt the rotation speed of the shaft 10 (ie, speed of the wind turbine blades) at a suitable speed range for the generator 11. The generator 11 converts the mechanical power provided through the axis 10 into electrical power and supplies the electrical power to a set of terminals of the stator 12a, 12b, 12c. For optimum performance with respect to the conversion of wind power into electric power, axis 10 will vary its speed as a function of wind speed. Since the rotation speed of the generator rotor 11 is proportional to the rotation speed of the shaft 10, the amplitude and frequency of the voltage signal provided by the generator 11 to the stator terminals 12a, 12b, 12c will vary according with the rotation speed of the axis 10. The generator can be a single or double fed synchronous generator, for example, a permanent magnet generator (PM), an induction generator or any other type of generator comprising a stator winding.
Los terminales 12a, 12b, 12c del generador 11 están conectados a un convertidor de potencia del lado del generador The terminals 12a, 12b, 12c of the generator 11 are connected to a power converter on the generator side
13. El convertidor 13 es preferiblemente un convertidor de puente de tres fases 13 que incluye seis interruptores ilustrados por motivos de claridad por el único interruptor y el diodo de la figura 1. Tal como se describirá con más detalle a continuación, los interruptores están dispuestos en un conjunto de interruptores superior e inferior que son preferentemente en forma de dispositivos de estado sólido, tales como MOSFET, IGBT o GTO. Otro tipo de interruptores, tales como BJT, sin embargo, son igualmente posibles dependiendo de las consideraciones de diseño del convertidor 13. El convertidor 13 funcionará bajo un funcionamiento normal como un rectificador activo que convierte la frecuencia variable de tensión CA suministrada por el generador 11 en una tensión de CC. La conversión se controla con un esquema de modulación de ancho de pulso, en el que señales de control se aplican a los interruptores en el convertidor 13 para proporcionar la funcionalidad de conversión deseada. En una realización preferida, los interruptores se controlan mediante el empleo del esquema de modulación del vector de espacio, tal como se describe a continuación. 13. The converter 13 is preferably a three-phase bridge converter 13 that includes six switches illustrated for reasons of clarity by the single switch and the diode of Figure 1. As will be described in more detail below, the switches are arranged in a set of upper and lower switches that are preferably in the form of solid state devices, such as MOSFET, IGBT or GTO. Other types of switches, such as BJT, however, are equally possible depending on the design considerations of the converter 13. The converter 13 will operate under normal operation as an active rectifier that converts the variable frequency of AC voltage supplied by the generator 11 in a DC voltage. The conversion is controlled with a pulse width modulation scheme, in which control signals are applied to the switches in the converter 13 to provide the desired conversion functionality. In a preferred embodiment, the switches are controlled by the use of the space vector modulation scheme, as described below.
La salida del convertidor 13 se proporciona a un enlace de CC 14, que comprende un condensador de enlace para reducir la ondulación de la tensión en el circuito de CC. The output of the converter 13 is provided to a DC link 14, which comprises a link capacitor to reduce the voltage ripple in the DC circuit.
El enlace de CC 14 está conectado a un convertidor de potencia del lado de la red 15. La topología del convertidor de potencia del lado de la red 15 es similar al convertidor de potencia de lado del generador 13 descrito anteriormente. El convertidor de potencia del lado de la red 15 normalmente funciona como un inversor para convertir la tensión de CC en el enlace de CC 14 en una tensión de CC regulada para la alimentación de potencia activa y reactiva a la red 18. Los interruptores del convertidor de potencia del lado de la red 15 se proporcionan con las tensiones de control adecuadas para proporcionar la tensión y la potencia deseadas a una red 18. The DC link 14 is connected to a network side power converter 15. The topology of the network side power converter 15 is similar to the generator side power converter 13 described above. The power converter on the network side 15 normally functions as an inverter to convert the DC voltage on the DC link 14 into a regulated DC voltage for the active and reactive power supply to the network 18. The inverter switches of power on the side of the network 15 are provided with the appropriate control voltages to provide the desired voltage and power to a network 18.
La salida desde el convertidor de potencia del lado de la red 15 se filtra mediante inductores 16a, 16b, 16c con el fin, por ejemplo, de eliminar armónicos de orden superior de la señal de potencia de salida. La señal de potencia de salida se proporciona a continuación a la red 18 a través de un transformador 19. La señal de potencia de salida puede, si es necesario, ser filtrada por un segundo filtro 17 con el fin de mantener la interferencia o la distorsión armónica a un valor bajo. The output from the power converter on the network side 15 is filtered by inductors 16a, 16b, 16c in order, for example, to eliminate higher order harmonics from the output power signal. The output power signal is then provided to the network 18 through a transformer 19. The output power signal can, if necessary, be filtered by a second filter 17 in order to maintain interference or distortion. Harmonic at a low value.
La figura 2 ilustra un diagrama vectorial para un generador síncrono representado en un marco de referencia estacionario. El diagrama comprende dos ejes estacionarios indicados α y β. La transformación desde el marco de referencia abc de tres fases estacionarias al marco de referencia αβ puede realizarse tal como se ha descrito anteriormente. Figure 2 illustrates a vector diagram for a synchronous generator represented in a stationary reference frame. The diagram comprises two stationary axes indicated α and β. The transformation from the abc reference frame of three stationary phases to the αβ reference frame can be carried out as described above.
Un primer vector representa el flujo de magnetización, indicado Ψmag en la figura. En el ejemplo mostrado en la figura 2, que se refiere a un generador síncrono, el flujo de magnetización corresponde al flujo del rotor. El flujo del rotor puede ser generado por medio de un imán permanente, como en un generador PM, o por la excitación de una bobina de campo en el rotor. El arco en el extremo del vector del flujo del rotor ilustra que el vector gira alrededor del origen de coordenadas en la figura. El desplazamiento angular del vector del flujo del rotor desde el eje α se indica como θr en la figura. A first vector represents the magnetization flow, indicated Ψmag in the figure. In the example shown in Figure 2, which refers to a synchronous generator, the magnetization flow corresponds to the rotor flow. The rotor flow can be generated by means of a permanent magnet, as in a PM generator, or by the excitation of a field coil in the rotor. The arc at the end of the rotor flow vector illustrates that the vector revolves around the origin of coordinates in the figure. The angular displacement of the rotor flow vector from the α axis is indicated as θr in the figure.
De una manera correspondiente es el vector de flujo del estator, indicado Ψs en la figura, representado por un vector que gira alrededor del origen de las coordenadas. En funcionamiento en estado estacionario del vector de flujo del estator gira en el marco de referencia estacionario con una velocidad angular igual al vector del flujo del rotor. El desplazamiento angular del vector del flujo del estator a partir del vector del flujo del rotor se indica por δ en la figura. In a corresponding way is the stator flow vector, indicated Ψs in the figure, represented by a vector that rotates around the origin of the coordinates. In steady state operation the stator flow vector rotates in the stationary reference frame with an angular velocity equal to the rotor flow vector. The angular displacement of the stator flow vector from the rotor flow vector is indicated by δ in the figure.
La potencia electromagnética de un generador síncrono se puede expresar como: The electromagnetic power of a synchronous generator can be expressed as:
que proporciona 5 which provides 5
Se aprecia a partir de la ecuación de potencia anterior que para una velocidad dada de funcionamiento, la potencia electromagnética depende de la magnitud del vector de flujo del estator y su ubicación con respecto al vector del flujo del rotor. Si la posición del vector de flujo del rotor se conoce, es posible aplicar una tensión que va a posicionar el vector de flujo del estator para dar la magnitud deseada de potencia a una velocidad dada. Por lo tanto, mediante el control del vector del flujo del estator, la potencia electromagnética (EM), que corresponde a la potencia de carga, se puede conseguir según lo ordenado. It can be seen from the previous power equation that for a given operating speed, the electromagnetic power depends on the magnitude of the stator flow vector and its location with respect to the rotor flow vector. If the position of the rotor flow vector is known, it is possible to apply a voltage that will position the stator flow vector to give the desired magnitude of power at a given speed. Therefore, by controlling the stator flow vector, the electromagnetic power (EM), which corresponds to the charging power, can be achieved as ordered.
Puesto que el control se lleva a cabo en el marco de referencia estacionario, puede ser necesario compensar el retraso de fase creado. Esto se consigue mediante una predicción lineal llevada a cabo en coordenadas polares. Since the control is carried out in the stationary reference frame, it may be necessary to compensate for the phase delay created. This is achieved by a linear prediction carried out in polar coordinates.
La figura 3 ilustra una representación vectorial de las tensiones presentes en los terminales del estator de un generador. Con el fin de controlar la potencia creada por el generador es necesario controlar las señales que se aplican a los terminales del estator. A este respecto la modulación del vector espacial (SVM) es un algoritmo de promedio efectivo para proporcionar una señal de salida de CA desde una tensión de CC. La SVM también minimiza el contenido de armónicos que determina las pérdidas de cobre en el generador. La SVM es también eficaz en que minimiza las pérdidas de conmutación en los interruptores del convertidor de potencia del lado del generador 13. Figure 3 illustrates a vector representation of the voltages present in the stator terminals of a generator. In order to control the power created by the generator it is necessary to control the signals that are applied to the stator terminals. In this regard, spatial vector modulation (SVM) is an effective average algorithm for providing an AC output signal from a DC voltage. The SVM also minimizes the harmonic content that determines the losses of copper in the generator. The SVM is also effective in minimizing switching losses in the power converter switches on the generator side 13.
Para un generador trifásico, las tensiones en el marco de referencia estacionario abc pueden ser representadas como tres vectores de fase desplazados 120° (direcciones ua ,ub yuc ) en el espacio, como se muestra en la figura For a three-phase generator, the voltages in the stationary reference frame abc can be represented as three phase vectors displaced 120 ° (directions ua, ub and uuc) in space, as shown in the figure
3. Para un sistema de equilibrado de tres fases, estos vectores suman a cero. Esto implica que los tres vectores pueden ser representados por un único vector de referencia de espacio (us). La idea detrás de la SVM es controlar la amplitud y la frecuencia de Vs, lo que implica que la amplitud de la tensión de fase, y la frecuencia en los terminales del estator 12a, b, c y por lo tanto el flujo en el estator puede ser controlado. 3. For a three-phase balancing system, these vectors add to zero. This implies that the three vectors can be represented by a single space reference vector (us). The idea behind the SVM is to control the amplitude and frequency of Vs, which implies that the amplitude of the phase voltage, and the frequency at the stator terminals 12a, b, c and therefore the flow in the stator can be controlled
Haciendo referencia a la figura 4a, que es una ilustración más detallada del convertidor del lado del generador 13 se muestra en la figura 1. La interruptores 52ab, b, c y 53a, b, c en la figura se ilustran como BJT. Es, sin embargo, igualmente posible utilizar MOSFET, GTO, IGBT, etc. como dispositivos de conmutación. Independientemente de la tecnología utilizada para la fabricación de los interruptores 52a, b, c, y 53a, b, c, la secuencia de conmutación, o el patrón de conmutación, de los dispositivos debe seguir ciertas reglas. Más específicamente, cada vez que uno de los interruptores superiores 52a, b, c está conduciendo (es decir, en un estado de encendido) el interruptor inferior correspondiente 53a, b, c debe estar apagado, y viceversa. Además tres de los interruptores deben estar siempre encendidos y tres interruptores deben estar siempre apagados. Estas reglas dan lugar a ocho combinaciones diferentes para los estados de conmutación de los dispositivos 52a, b, c y 53a, b, c. Estas combinaciones se indican (abc) donde, por ejemplo a = 1, b = 0 y c = 0 indica que el interruptor superior 52a está encendido (convirtiendo así al interruptor 53a en apagado) mientras que los interruptores 52b y c están apagados. Seis de los estados son estados activos que producen un vector de tensión en una dirección predefinida, mientras que dos de los estados son estados inactivos, es decir todos los interruptores superiores 52a, b, c están apagados y todos los interruptores inferiores 53a, b, c se encuentran encendidos, o viceversa. Referring to Figure 4a, which is a more detailed illustration of the generator side converter 13 is shown in Figure 1. The switches 52ab, b, c and 53a, b, c in the figure are illustrated as BJT. It is, however, equally possible to use MOSFET, GTO, IGBT, etc. as switching devices. Regardless of the technology used for the manufacture of switches 52a, b, c, and 53a, b, c, the switching sequence, or the switching pattern, of the devices must follow certain rules. More specifically, each time one of the upper switches 52a, b, c is driving (ie, in a state of on) the corresponding lower switch 53a, b, c must be turned off, and vice versa. In addition, three of the switches must always be on and three switches must always be off. These rules give rise to eight different combinations for the switching states of devices 52a, b, c and 53a, b, c. These combinations are indicated (abc) where, for example a = 1, b = 0 and c = 0 indicates that the upper switch 52a is on (thus turning switch 53a off) while switches 52b and c are off. Six of the states are active states that produce a voltage vector in a predefined direction, while two of the states are inactive states, that is, all upper switches 52a, b, c are off and all lower switches 53a, b, c are on, or vice versa.
Los ocho estados de conmutación definidos anteriormente determinan ocho configuraciones de tensión de fase como se ilustra en la figura 4b. Tal como se ve en la figura, los vectores definen un hexágono, con seis sectores de igual tamaño separados 60º. Cada sector está delimitado por dos vectores activos. Los estados inactivos están representados por los vectores (000) y (111) que son cero y se encuentran en el origen del hexágono. Dos vectores de tensión adyacentes se eligen en función del sector en el que se encuentra el vector us (100 y 110 en la figura 4b). A partir de la figura 4b queda claro que sólo uno de los interruptores superior e inferior se cambia de estado cuando el patrón de cambio se mueve de un sector al sector adyacente, en el que las pérdidas de conmutación se mantienen en un mínimo. The eight switching states defined above determine eight phase voltage configurations as illustrated in Figure 4b. As seen in the figure, the vectors define a hexagon, with six sectors of equal size separated 60º. Each sector is delimited by two active vectors. Inactive states are represented by vectors (000) and (111) that are zero and are at the origin of the hexagon. Two adjacent voltage vectors are chosen based on the sector in which the us vector is located (100 and 110 in Figure 4b). From Figure 4b it is clear that only one of the upper and lower switches changes state when the change pattern moves from one sector to the adjacent sector, in which the switching losses are kept to a minimum.
Normalmente, los interruptores funcionan a una frecuencia F, que es sustancialmente más alta que la frecuencia de la red. La frecuencia de conmutación F 15 define el período de muestreo !s a través de la relación !s =1/F. El período de muestreo !s se utiliza al generar el vector Vs a partir de los vectores de tensión diferentes (100, 110, etc.) En concreto es el vector us formado por los vectores ponderación temporal durante un período de muestreo !s. Matemáticamente el vector us puede expresarse como Normally, the switches operate at a frequency F, which is substantially higher than the network frequency. The switching frequency F 15 defines the sampling period! S through the ratio! S = 1 / F. The sampling period! S is used when generating the vector Vs from the different voltage vectors (100, 110, etc.) Specifically, it is the vector us formed by the temporal weighting vectors during a sampling period! S. Mathematically the vector us can be expressed as
donde !0, !1 ... !7 es el tiempo que cada vector u0,u1 ... u7 se aplica, respectivamente. Los vectores u0 yu7 son los vectores cero (000, 111) que se aplican con el fin de producir una tensión cero. where! 0,! 1 ...! 7 is the time that each vector u0, u1 ... u7 is applied, respectively. The vectors u0 and u7 are the zero vectors (000, 111) that are applied in order to produce a zero voltage.
Cuando us y !s son conocidos, es posible determinar el tiempo de encendido para cada vector, respectivamente, a 6 When us and! S are known, it is possible to determine the on time for each vector, respectively, at 6
partir de las ecuaciones from the equations
y Y
5 Un problema reside en cómo determinar el vector us deseado para proporcionar un control eficiente de la potencia eléctrica suministrada por el generador. 5 A problem lies in how to determine the desired us vector to provide efficient control of the electrical power supplied by the generator.
La figura 5a ilustra un sector del hexágono de vector de espacio que se muestra en la figura 4b. El vector de flujo del estator Ψs deseado en dos momentos de tiempo posteriores se ilustra como los vectores Ψs(k) y Ψs(k+1). La referencia de flujo Ψs* es representada por un arco de círculo en la figura. La diferencia entre el vector de flujo de Figure 5a illustrates a sector of the space vector hexagon shown in Figure 4b. The desired stator flow vector Ψs at two subsequent time points is illustrated as the vectors Ψs (k) and Ψs (k + 1). The flow reference Ψs * is represented by a circle arc in the figure. The difference between the flow vector of
10 estator deseado y el flujo de referencia crea un vector de error de flujo ΔΨs*(k) con una dirección que es perpendicular a la dirección del flujo deseado. El flujo en el estator se refiere a la EMF del generador por la ecuación (ley de Faraday) 10 desired stator and the reference flow creates a flow error vector ΔΨs * (k) with an address that is perpendicular to the desired flow direction. The flow in the stator refers to the generator EMF by the equation (Faraday's law)
Esto implica que el vector de error de flujo ΔΨs*(k) es proporcional a un vector de tensión que se puede obtener This implies that the flow error vector ΔΨs * (k) is proportional to a tension vector that can be obtained
15 como una media en una muestra usando vectores adyacentes y es desplazado por un ángulo γ con respecto al vector de tensión ua (es decir, los vectores activos u0,u1, etc.) en cualquier sector de actividad. Por lo tanto γ varía de 0 a 60 grados en un sector. El tiempo de cada vector activo, por ejemplo, u1 yu2 se aplica en la figura 5 se representa por !ay !b en la figura. 15 as an average in a sample using adjacent vectors and is displaced by an angle γ with respect to the tension vector ua (i.e., the active vectors u0, u1, etc.) in any activity sector. Therefore γ varies from 0 to 60 degrees in a sector. The time of each active vector, for example, u1 and u2 is applied in figure 5 is represented by! A and! B in the figure.
La figura 5b ilustra un ejemplo donde se utiliza un vector de tensión normalizado para generar los tiempos de Figure 5b illustrates an example where a standardized voltage vector is used to generate the times of
20 conmutación. La base para la normalización se toma como el valor de pico de la componente fundamental de la tensión de fase durante el funcionamiento de seis etapas 20 switching The basis for normalization is taken as the peak value of the fundamental component of the phase voltage during six-stage operation
donde UDC es la tensión del enlace de CC de un inversor de dos niveles descritos anteriormente. En el esquema de modulación de vector espacial se puede demostrar que la longitud de cada uno de los seis vectores (u1-u6)es where UDC is the DC link voltage of a two-level inverter described above. In the spatial vector modulation scheme it can be shown that the length of each of the six vectors (u1-u6) is
en el que la normalización de la tensión se convierte Normalización = ∀/3 A partir de la figura 3 se puede observar que in which the normalization of tension becomes Normalization = ∀ / 3 From figure 3 it can be seen that
30 a partir de la cual los tiempos de conmutación para cada uno de los vectores activos se pueden derivar, por ejemplo, que definen las señales de control que se aplican a los interruptores de potencia en el lado del generador del convertidor 13, según 30 from which the switching times for each of the active vectors can be derived, for example, which define the control signals that are applied to the power switches on the generator side of the converter 13, according to
donde !a es el tiempo en que se aplica el primer vector (por ejemplo, vector u1 en la figura 4b) y !b es el tiempo en que se aplica el segundo vector (por ejemplo, vector u2 en la figura 4b). where! a is the time at which the first vector is applied (for example, vector u1 in Figure 4b) and! b is the time at which the second vector is applied (for example, vector u2 in Figure 4b).
Haciendo una breve referencia a las figuras 1, 4a y 7, los tiempos de conmutación determinados se utilizan como señales de control por una unidad de control de conmutación indicado por el bloque PWM 82. El bloque PWM 82 se utiliza la señal de control para controlar los interruptores 52, 53 en el convertidor de potencia del lado del generador With a brief reference to Figures 1, 4a and 7, the determined switching times are used as control signals by a switching control unit indicated by the PWM block 82. The PWM block 82 uses the control signal to control switches 52, 53 on the generator side power converter
13. Al cambiar los estados de los interruptores en el convertidor de potencia del lado del generador 13 es posible establecer cantidades eléctricas del estator tales que se alcance un nivel generador de potencia deseado. Más específicamente, las señales de control hacen que los interruptores 52, 53 del convertidor del generador de la potencia lateral 13 ajuste la fase y la magnitud de la tensión de su tensión de terminal de CA respecto a la EMF del generador 11 con el fin de proporcionar la potencia eléctrica deseada. 13. By changing the states of the switches in the power converter on the generator side 13 it is possible to establish electrical quantities of the stator such that a desired power generator level is reached. More specifically, the control signals cause the switches 52, 53 of the side power generator converter 13 to adjust the phase and magnitude of the voltage of their AC terminal voltage with respect to the EMF of the generator 11 in order to Provide the desired electrical power.
La tensión generada por el convertidor de potencia del lado del generador 13 está definida por el requisito del controlador de flujo. Así la conmutación tiene que llevarse a cabo para mitigar el error en el vector de flujo del estator ΔΨs*(k). Este enfoque de control del vector del flujo se puede extender a cualquier índice de modulación. Durante el intervalo de modulación de vector espacial normal, el error puede ser compensado a través de la conmutación en una muestra. The voltage generated by the power converter on the side of the generator 13 is defined by the requirement of the flow controller. Thus the switching has to be carried out to mitigate the error in the stator flow vector ΔΨs * (k). This flow vector control approach can be extended to any modulation index. During the normal spatial vector modulation interval, the error can be compensated through switching in a sample.
La figura 6 ilustra un sistema de control para controlar la potencia de un generador de turbina eólica de acuerdo con una realización de la presente invención. Figure 6 illustrates a control system for controlling the power of a wind turbine generator in accordance with an embodiment of the present invention.
El comando de control de potencia para el convertidor se compara con la estimación de la potencia suministrada por el generador 71. La dinámica mecánica del sistema siendo más lenta permite que el controlador de potencia 79 sea utilizado directamente para dar la referencia del vector de flujo del estator. The power control command for the converter is compared with the estimation of the power supplied by the generator 71. The mechanical dynamics of the system being slower allows the power controller 79 to be used directly to give the reference of the flow vector of the stator
El generador 71 no requiere potencia reactiva a menos que a velocidades muy altas cuando se debilita el campo sea necesario. El diseño EM abastece a este aspecto del generador. Por lo tanto, es el requerimiento de potencia activa que acciona el controlador de potencia en la dinámica del generador más lentas. El vector de flujo del estator está siendo controlado de una manera similar como se explicó anteriormente. La conmutación llevada a cabo utilizando el error del vector de flujo del estator es la misma que se ha descrito anteriormente. The generator 71 does not require reactive power unless at very high speeds when the field is weakened as necessary. The EM design caters to this aspect of the generator. Therefore, it is the active power requirement that drives the power controller in the slower generator dynamics. The stator flow vector is being controlled in a similar manner as explained above. The switching carried out using the stator flow vector error is the same as described above.
El controlador de generador se describirá con la ayuda de las figuras 7a-c. The generator controller will be described with the help of Figures 7a-c.
El funcionamiento básico del controlador es el siguiente: El inversor del lado del generador recibe el comando de potencia Pref basado en ya sea una diferencia de una velocidad de generador deseada y una velocidad del generador real desarrollada en modo de carga parcial o un valor constante sobre la base de las condiciones ambientales en el modo de carga completa. El controlador funciona en un sistema fijo de coordenadas del estator del generador. The basic operation of the controller is as follows: The inverter on the generator side receives the Pref power command based on either a difference of a desired generator speed and a real generator speed developed in partial load mode or a constant value over the basis of environmental conditions in full charge mode. The controller operates in a fixed system of coordinates of the generator stator.
El controlador opera sobre el principio básico de que la salida de potencia eléctrica de un generador es The controller operates on the basic principle that the electrical power output of a generator is
donde: ω es la velocidad de giro del generador; where: ω is the speed of rotation of the generator;
es la magnitud de flujo proporcionado por el imán permanente del rotor is the magnitude of flow provided by the permanent magnet of the rotor
es la magnitud del flujo del estator controlada por la PWM del inversor del lado del generador 8 is the magnitude of the stator flow controlled by the PWM of the generator side inverter 8
sinγ es el seno de un ángulo γ deseado entre el flujo generado por el imán permanente del rotor y el flujo el estator controlado por la PWM del inversor del lado del generador sinγ is the sine of a desired angle γ between the flow generated by the permanent magnet of the rotor and the flow the stator controlled by the PWM of the generator side inverter
No hay operaciones para establecer ya sea un componente de la corriente del rotor o componente de la corriente en cuadratura con un vector de flujo. There are no operations to establish either a rotor current component or quadrature current component with a flow vector.
Un comando de potencia, Pref, desde los controladores de carga (no mostrado) se alimenta al detector de error 501 y se compara con la potencia de salida del sistema proporcionado para el punto de conexión común. La salida del detector 501 se pasa a través del interruptor 502 al controlador Pl 504. El interruptor 502 es un dispositivo de protección para eliminar el comando Pref si, durante un proceso de control de flujo, las corrientes del estator excedieran un valor predeterminado tal como es detectada en el bloque 512. A power command, Pref, from the charge controllers (not shown) is fed to the error detector 501 and compared to the system output power provided for the common connection point. The output of the detector 501 is passed through the switch 502 to the controller Pl 504. The switch 502 is a protection device to eliminate the Pref command if, during a flow control process, the stator currents exceed a predetermined value such as It is detected in block 512.
La salida del bloque 504 se alimenta a través de dos bloques de ganancia 505 que ajustan la señal de potencia como una función de la velocidad del rotor del generador y la corriente del estator y convierte la señal de error de alimentación a una ref de flujo requerido ΨPEM_REF. The output of block 504 is fed through two gain blocks 505 that adjust the power signal as a function of the generator rotor speed and the stator current and converts the power error signal to a required flow ref ΨPEM_REF.
Ψ*PEM_REF se compara a continuación, en el bloque 509, con un valor de flujo de salida ΨPEM, que es proporcional a la potencia de salida real, para formar un ΨPEM_REF_ERROR que después del procesamiento por el controlador Pl 510 se convierte en Ψ*PEM. Asimismo Ψ*MAG_REF (del bloque de debilitamiento de campo 506) se compara con ΨMAG desde el bloque 520 para formar una ΨMAG_ERROR que después del procesamiento por el controlador Pl 508 y la adición de Ψr se convierte en Ψ*MAG. La lógica contenida en el bloque de debilitamiento de campo 506 se muestra en la figura 10. Ψ * PEM_REF is then compared in block 509, with an output flow value ΨPEM, which is proportional to the actual output power, to form a ΨPEM_REF_ERROR which after processing by the Pl 510 controller becomes Ψ * PEM Also Ψ * MAG_REF (from field weakening block 506) is compared with ΨMAG from block 520 to form a ΨMAG_ERROR which after processing by the Pl 508 controller and the addition of Ψr becomes Ψ * MAG. The logic contained in the field weakening block 506 is shown in Figure 10.
Los valores de ΨPEM yΨMAG se calculan en los bloques 520 y 522 utilizando un flujo del estator total Ψs (determinado en el bloque 528) utilizando el ángulo de carga delta (δ), el ángulo entre un flujo de magnetización deseada y el flujo deseado responsable de la producción de potencia, δ*ángulo_carga se determina en el bloque 514 utilizando el arctan(Ψ*PEM/Ψ*MAG), mientras que la magnitud del flujo del estator total |Ψ*s| también se determina en el bloque 514 como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los componentes de flujo en el bloque 514. The values of ΨPEM and ΨMAG are calculated in blocks 520 and 522 using a total stator flow Ψs (determined in block 528) using the delta load angle (δ), the angle between a desired magnetization flow and the desired responsible flow of the power output, δ * load_ angle is determined in block 514 using the arctan (Ψ * PEM / Ψ * MAG), while the magnitude of the total stator flow | Ψ * s | It is also determined in block 514 as the square root of the sum of the squares of the flow components in block 514.
Hasta este punto, todas las señales han sido valores de CC, no se han producido las transformaciones en sistemas de referencia de rotación, ni tampoco ha habido colocación de par para producir vectores de corriente en cuadratura con vectores de flujo del rotor identificados. Up to this point, all signals have been DC values, there have been no transformations in rotation reference systems, nor has there been torque placement to produce quadrature current vectors with identified rotor flow vectors.
El vector de flujo del estator, que tiene una magnitud y una posición, se desarrolla en el bloque 516 y se corrige en el bloque 518 de los retrasos causados por la velocidad de rotación del generador y la necesidad de muestrear a intervalos de tiempo discretos. Más específicamente, y como se muestra en la figura 8 la referencia de flujo se ajusta mediante el ajuste del intervalo de tiempo entre k usando la señal delta theta alimentada al bloque 518. The stator flow vector, which has a magnitude and a position, is developed in block 516 and corrected in block 518 of the delays caused by the speed of rotation of the generator and the need to sample at discrete time intervals. More specifically, and as shown in Figure 8 the flow reference is adjusted by adjusting the time interval between k using the delta signal theta fed to block 518.
El debilitamiento de campo es necesario cuando hay una ráfaga de viento y la velocidad del rotor excede la velocidad nominal. La FEM generada aumenta dejando un margen de tensión pequeño para el control de potencia del generador y de flujo del estator. Se convierte en esencial para debilitar el campo de hueco de aire resultante, de modo que la EMF generada se mantiene efectiva a un valor deseado incluso si hay un aumento en la velocidad. La figura 10 ilustra un diagrama de flujo del procedimiento de debilitamiento del campo. El índice de modulación máximo ajustado se utiliza para calcular la magnitud de referencia resultante de magnetización. En condiciones distintas de debilitamiento de campo o en condiciones de baja velocidad, la referencia de magnetización calculada es mayor o igual a la magnitud del flujo del rotor. A alta velocidad, se aplicará el resultado de cálculo. El procedimiento también tiene la posibilidad de "fortalecer" el campo en caso de que los imanes se debiliten debido a las altas temperaturas. Field weakening is necessary when there is a gust of wind and the rotor speed exceeds the nominal speed. The generated EMF increases leaving a small voltage range for control of generator power and stator flow. It becomes essential to weaken the resulting air gap field, so that the generated EMF remains effective at a desired value even if there is an increase in speed. Figure 10 illustrates a flow chart of the field weakening procedure. The adjusted maximum modulation index is used to calculate the reference magnitude resulting from magnetization. Under conditions other than field weakening or low speed conditions, the calculated magnetization reference is greater than or equal to the magnitude of the rotor flow. At high speed, the calculation result will be applied. The procedure also has the possibility of "strengthening" the field in case the magnets weaken due to high temperatures.
El control predictivo para mitigar el error de fase del vector de flujo del estator se consigue como se muestra en la figura 8. La predicción se realiza en coordenadas polares y genera el vector de flujo del estator Ψps*. El vector de flujo estimado del estator Ψs como se muestra se compara con el vector de flujo del estator de referencia predicho y el vector de error ΔΨs define los estados de conmutación para el control de la potencia activa y vector de flujo del estator en el marco estático de referencia. Predictive control to mitigate the phase error of the stator flow vector is achieved as shown in Figure 8. The prediction is made in polar coordinates and generates the stator flow vector Ψps *. The estimated flow vector of the stator Ψs as shown is compared with the predicted reference stator flow vector and the error vector ΔΨs defines the switching states for the control of the active power and stator flow vector in the frame static reference.
El principio de generación de vector de flujo del estator de referencia limitante de corriente se muestra en la figura 9. El hecho de que no es necesaria la magnetización de una máquina de rotor magnetizado como superficie montada máquina PM o una máquina sincrónica que alimente el rotor, puede ser explotado para definir la magnitud vectorial del flujo de referencia deseado. La figura 9 ilustra esto. El vector de corriente necesario en este control es sólo para atender a la demanda de potencia activa y no a la creación de cualquier flujo en la máquina. Por lo tanto, la magnitud del vector de corriente mínima que puede lograr este requisito debe estar a lo largo de una dirección perpendicular al vector del flujo del rotor. The flow vector generation principle of the current limiting reference stator is shown in Figure 9. The fact that magnetization of a magnetized rotor machine such as surface mounted PM machine or a synchronous machine that feeds the rotor is not necessary , can be exploited to define the vector magnitude of the desired reference flow. Figure 9 illustrates this. The current vector needed in this control is only to meet the demand for active power and not the creation of any flow in the machine. Therefore, the magnitude of the minimum current vector that this requirement can achieve must be along a direction perpendicular to the rotor flow vector.
Si la máquina tiene que ser utilizada como motor, el vector de corriente debe conducir el vector del flujo del rotor en caso contrario debería retrasarse el vector del flujo del rotor como se muestra en la figura. Por lo tanto, la componente del vector de flujo de referencia que contribuya a la torsión o la potencia activa se puede derivar directamente con la información de ubicación de este vector de corriente. Esto implica la entrada de la ubicación de vector de flujo del rotor, que está disponible a partir de la posición y/o codificador incremental unido al eje de la máquina. Para los generadores con salientes en la estructura del rotor, la operación sin sensores puede ser incorporada mediante la medición de la tensión y corrientes eliminando así la necesidad de un sensor de velocidad/posición. La ventaja es la posibilidad de que el controlador limite la corriente en el marco de referencia estacionario. A velocidades de funcionamiento muy altas, es posible tener un componente de magnetización del If the machine has to be used as an engine, the current vector must drive the rotor flow vector otherwise the rotor flow vector should be delayed as shown in the figure. Therefore, the reference flow vector component that contributes to the torque or active power can be derived directly with the location information of this current vector. This implies the entry of the rotor flow vector location, which is available from the incremental position and / or encoder attached to the machine axis. For generators with protrusions in the rotor structure, operation without sensors can be incorporated by measuring the voltage and currents thus eliminating the need for a speed / position sensor. The advantage is the possibility that the controller limits the current in the stationary reference frame. At very high operating speeds, it is possible to have a magnetization component of the
5 vector de flujo del estator. Este componente también puede ser necesario cuando una máquina PM interior se emplea para la generación de potencia. 5 stator flow vector. This component may also be necessary when an indoor PM machine is used for power generation.
La invención se ha descrito principalmente anteriormente con referencia a unas pocas realizaciones. Sin embargo, como se apreciará fácilmente por una persona experta en la técnica, realizaciones distintas de las descritas anteriormente son lo igualmente posibles dentro del alcance de la invención, tal como se define por las The invention has been described primarily above with reference to a few embodiments. However, as will be readily appreciated by a person skilled in the art, embodiments other than those described above are equally possible within the scope of the invention, as defined by the
10 reivindicaciones de patente adjuntas. 10 patent claims attached.
Claims (11)
- 2. 2.
- Procedimiento según la reivindicación 1, en el que se determina un vector de diferencia de flujo del estator con una magnitud y dirección por medio de la diferencia entre el valor de referencia del vector de flujo del estator y el valor estimado del vector del flujo del estator, y dichos interruptores (52, 53) funcionan en base a dicho vector de diferencia de flujo del estator. Method according to claim 1, wherein a stator flow difference vector with a magnitude and direction is determined by means of the difference between the reference value of the stator flow vector and the estimated value of the stator flow vector , and said switches (52, 53) operate based on said stator flow difference vector.
- 3. 3.
- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que dicho interruptores (52, 53) funcionan de acuerdo con un esquema de modulación de impulsos en anchura para generar una forma de onda de tensión sintetizada en los terminales del estator. Method according to any of claims 1 or 2, wherein said switches (52, 53) operate according to a pulse width modulation scheme to generate a voltage waveform synthesized at the stator terminals.
- 4. Four.
- Procedimiento según la reivindicación 1, en el que los interruptores (52, 53) comprenden un primer y un segundo conjunto de interruptores (52, 53) y el primer conjunto de interruptores funciona hacia un estado de encendido durante un primer intervalo de tiempo, !a, y el segundo conjunto de interruptores hacia un estado de encendido durante un segundo intervalo de tiempo, !b. Method according to claim 1, wherein the switches (52, 53) comprise a first and a second set of switches (52, 53) and the first set of switches operates towards a state of ignition for a first time interval,! a, and the second set of switches to a state of on for a second time interval,! b.
- 5. 5.
- Procedimiento según la reivindicación 4, en el que los intervalos de tiempo primero y segundo se determinan de acuerdo con Method according to claim 4, wherein the first and second time intervals are determined according to
- 6. 6.
- Aparato para controlar un generador de turbina eólica de velocidad variable (11) conectado a un convertidor de potencia (13) que comprende interruptores (52, 53), comprendiendo dicho generador (11) un estator y un conjunto de terminales conectados a dicho estator y a dichos interruptores, comprendiendo dicho aparato: Apparatus for controlling a variable speed wind turbine generator (11) connected to a power converter (13) comprising switches (52, 53), said generator (11) comprising a stator and a set of terminals connected to said stator and said switches, said apparatus comprising:
- 7. 7.
- Aparato según la reivindicación 6, en el que el comparador está adaptado para establecer, a partir de una Apparatus according to claim 6, wherein the comparator is adapted to establish, from a
- 8. 8.
- Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en el que dicha unidad de control del interruptor (72) está Apparatus according to any of claims 6 to 7, wherein said switch control unit (72) is
- 10. 10.
- Aparato según la reivindicación 9, en el que la unidad de control del interruptor (72) está adaptada para determinar los intervalos de tiempo primero y segundo según Apparatus according to claim 9, wherein the switch control unit (72) is adapted to determine the first and second time intervals according to
- 11. eleven.
- Producto de programa de ordenador que puede cargarse directamente en la memoria de un dispositivo Computer program product that can be loaded directly into the memory of a device
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